Impianto sperimentale

L’impianto sperimentale è posto nel laboratorio di scambio termico in micro-geometrie del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università degli Studi di Padova. La massima pressione di esercizio che si può raggiungere è di 3 MPa e la portata di refrigerante massima è di 72 kg h-1. L’impianto consente di misurare il coefficiente di scambio termico in vaporizzazione e in condensazione e anche le cadute di pressione. L’impianto sperimentale consiste in 5 circuiti, che sono i seguenti:

• il circuito del refrigerante

• il circuito dell’acqua per la sezione sperimentale • il circuito dell’acqua calda per l’evaporatore

• il circuito dell’acqua fredda per il pre-condensatore

• il circuito dell’acqua fredda (di pozzo o del bagno termostatico) per il postcondensatore. Il refrigerante segue il percorso schematizzato in Figura 3-3: tramite una pompa ad ingranaggi a trascinamento magnetico, collegata ad un inverter, il refrigerante viene fatto circolare. La pompa non richiede olio per il suo funzionamento, e ciò consente di non intaccare la purezza del fluido. L’inverter permette di intervenire sulla velocità di rotazione della pompa, garantendo quindi la possibilità di regolare la portata di refrigerante. Proseguendo lungo il circuito si incontra un regolatore di pressione collegato alla linea dell’aria compressa, detto “damper”, che consente di agire sulla pressione di saturazione del refrigerante. Si passa poi all’evaporatore, e qui il refrigerante scambia calore con l’acqua calda. All’uscita dell’evaporatore si ha dunque vapore surriscaldato, il quale entra in uno scambiatore tubo in tubo che funge da pre-condensatore, dove si ha lo scambio in controcorrente con acqua fredda proveniente da un “chiller” che fluisce nella sezione anulare. Il pre-condensatore offre la possibilità di regolare il titolo in ingresso nella successiva sezione sperimentale, alla quale è collegato mediante un tubo adiabatico. A seconda dell’obbiettivo delle

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prove, nella sezione sperimentale il refrigerante può evaporare, condensare, o scorrere in modo adiabatico. Infine vi è il post-condensatore, uno scambiatore di calore a piastre brasato, in cui da un lato si ha l’acqua di pozzo (per le prove in condensazione) o acqua proveniente dal bagno termostatico (per le prove in vaporizzazione), dall’altro il fluido refrigerante che viene completamente condensato e sottoraffreddato. Infine si ha il passaggio attraverso un filtro che serve per assorbire l’umidità e accidentali impurità che potrebbero compromettere il corretto funzionamento della pompa.

Figura 3-3 schema del circuito del refrigerante.

Il circuito è anche equipaggiato con alcuni strumenti per la misura di grandezze importanti ai fini della determinazione del coefficiente di scambio termico e delle perdite di carico, quali: un misuratore di portata di massa ad effetto Coriolis, posto tra il “damper” e l’evaporatore, e vari sensori di pressione e temperatura. È presente inoltre una valvola di regolazione posta prima dell’evaporatore per un ulteriore controllo della portata di refrigerante.

Nel circuito dell’acqua per la sezione sperimentale è presente un bagno termostatico LAUDA PROLINE 1845, (Figura 3-4 ), che consente di inviare l’acqua a una temperatura controllata. Per le prove in condensazione viene impostata una temperatura dell’acqua inferiore alla temperatura di saturazione, mentre per le prove in vaporizzazione si ha una temperatura dell’acqua superiore a quella di saturazione.

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Figura 3-4 Bagno LAUDA PROLINE 1845.

Il bagno LAUDA è dotato di una pompa di prevalenza 0.7 bar e a 8 velocità, in modo da poter regolare la portata d’acqua inviata; la temperatura di quest’ultima è compresa nel range ±0.01 K rispetto al valore impostato dall’utente.

Nel circuito della sezione evaporante è presente un boiler elettrico con 3 resistenze di potenza 1.67 kW. Si può quindi fornire al massimo una potenza di 5 kW. Per una delle tre resistenze è possibile modulare la potenza grazie a un controllore PID, mentre le altre presentano la sola modalità on/off. Ciò permette di mantenere una temperatura dell’acqua in ingresso all’evaporatore pari a 60°C per le prove in condensazione e di 40°C per le prove in vaporizzazione. La pompa multistadio di questo circuito non è dotata di un inverter ed è quindi a numero fisso di giri: 2800 giri min-1. Essa permette di inviare l’acqua nell’evaporatore, nel quale cede il proprio calore al refrigerante vaporizzandolo e surriscaldandolo. È inoltre presente un misuratore di portata elettromagnetico, una valvola di regolazione, un manometro per tener sotto controllo la pressione e un vaso di espansione per assecondare le variazioni di volume del fluido.

Nel pre-condensatore l’acqua fredda proviene dal “chiller” Air Control Rock 4, la temperatura di quest’acqua può essere impostata manualmente tramite i comandi del “chiller” stesso fino ad un minimo di 5°C; la presenza di un bagno d’accumulo e di resistenze elettriche garantisce un controllo più accurato della temperatura dell’acqua inviata al pre-condensatore stesso, in tal modo le variazioni sono infatti di ±0.1°C. Il “chiller” ha al suo interno un circuito frigorifero a compressione di vapore: il calore asportato dal refrigerante nel pre-condensatore tramite l’acqua viene a sua volta ceduto all’acqua di pozzo tramite uno scambiatore a piastre. Per regolare la portata si deve invece intervenire su una valvola. Tramite la giusta combinazione di portata e temperatura dell’acqua si

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può quindi impostare il titolo voluto all’ingresso della sezione sperimentale. Il valore di portata impostato può essere letto dal misuratore di portata magnetico inserito nel circuito in questione. Il circuito del post-condensatore è alimentato da acqua di pozzo, la cui temperatura è in genere compresa tra 15 e 18°C. L’acqua fluisce in uno scambiatore a piastre, nel quale sottrae calore al refrigerante; siccome l’unico obbiettivo è completare la condensazione del fluido refrigerante e sottoraffreddarlo, non è presente un misuratore di portata e neppure una valvola di regolazione; vi è la sola presenza di un filtro per impedire un eccessivo accumulo di sporcizia nello scambiatore. Quando invece si eseguono le prove in vaporizzazione vi sono le seguenti differenze: nella sezione sperimentale il bagno Lauda fornisce acqua calda e non più fredda, che cede calore al refrigerante vaporizzandolo; mentre al postcondensatore è inviata acqua fredda proveniente da un nuovo “chiller” (LAUDA Variocool VC 3000) che viene di seguito descritto.

“chiller”

Per le prove in vaporizzazione si è fatto uso di un nuovo “chiller”, appositamente acquistato. Si tratta del “chiller” LAUDA Variocool VC 3000. La sigla indica che la potenza frigorifera a 20°C dichiarata dal costruttore è di 3000 W ottenuta usando etanolo. Il raffreddamento del condensatore è ad aria ed è presente anche un riscaldatore per il fluido frigorigeno. Il “chiller” è costituito dai seguenti elementi funzionali:

• il circuito idraulico: attraverso tale circuito scorre il fluido deputato allo scambio termico; esso è costituito da un vaso di espansione; una pompa a immersione per far circolare il fluido, che può garantire una portata massima di 37 L/min e una pressione massima di 3.2 bar; un bypass regolabile, in modo da selezionare la pressione in base alle esigenze dell’utente, e un riscaldatore che fornisce una potenza termica fino a 1.5 kW e che incrementa la massima temperatura di lavoro fino a 80°C; la temperatura minima di esercizio è invece di -20°C.

• un manometro per la lettura della pressione raggiunta con la pompa.

• Il gruppo frigorifero che utilizza il refrigerante R404A ed è composta da un compressore alternativo, un condensatore ad aria che tramite un ventilatore aspira l’aria dalla zona frontale del “chiller” e la espelle, a temperatura più alta, nella parte posteriore. È infine presente un evaporatore coassiale.

Il costruttore dichiara il mantenimento di una temperatura costante nel range ±0.05 K rispetto al valore impostato. In Figura 3-5 è visibile il “chiller” sopra descritto.